烘干炉温度自动控制系统

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1、目录第 1 章 概 述 31.1 课题研究的目的和意义 31.2 烘干炉温度自动控制系统现状和发展趋势 41.3 本文的主要内容 6第 2章 系统总体方案设计 72.1 系统的组成 72.2 控制系统结构和功能特点 72.3 系统总体方案设计 82.3.1 系统控制器的选择 82.3.2 检测元件的选择 102.3.3输入通道方案选择 112.3.4输出通道方案选择： 122.3.5外围接口设备的选择： 12第 3章 系统硬件设计 143.1 控制单元电路设计 143.1.1引脚特性 163.1.2晶振电路设计 183.2 信号检测电路设计 193.3 前向通道电路设计 203.4 控制电路设

2、计 223.5 外围设备接口电路的设计 233.5.1显示器接口电路设计 233.5.2.键盘接口电路设计 253.6 报警电路 26第 4章 系统软件设计 284.1 总体设计思想 284.2 主程序设计 294.3 数据采集及处理子程序设计 324.3.1.数据采集子程序设计 324.3.2.数字滤波子程序 334.4 控制算法子程序设计 354.4.1 PID算法程序354.4.2输出控制程序设计364.4.3 采样值调整程序 364.5 键盘显示子程序 374.5.1显示子程序设计374.5.2键盘子程序设计38总 结 40致 谢 错误！未定义书签。参 考 文 献 41附录 A 硬件原

3、理图 42附录 B 单片机系统软件源程序清单 43第1 章 概 述1.1 课题研究的目的和意义在工业生产中，涂装工艺占据着举足轻重的地位。烘干是涂装工艺的三大主要 工序之一，它使液态（湿态或粉状）的涂膜快速转化为固态的漆膜，对生产效率、涂 层质量和涂装成本等有直接的影响。烘干是用加热设备 （烘干室或烘干炉 ）来实现 的。因此烘炉是涂装生产线必不可少的设备之一。在干燥固化过程中，烘炉内各点 的温度是否能保证在规定的工艺要求的范围内，将对被涂装的材料、产品、工件的 质量、降低能耗以及提高生产效率和经济效益都会产生重要的影响，而且随着整机 度的提高和元器件的微型化、复杂化在各种工业过程中对温度工艺的

4、要求越来越 高。烘炉温度一时间曲线是根据被烘干涂料的固化特性，由涂料厂家和涂装厂商定 的，必须严格遵守。这就需要一种可移动的温度数据采集仪器，可以连续追踪烘炉 温度。而我国目前采用的传统的定点式烘炉测温方法，己经显得比较落后，无法满 足生产工艺对温度测量的要求。烘炉温度追踪仪（可移动式温度数据采集仪）就是在 这种情况下提出的。近年来，随着计算机技术的飞速发展，给烘炉炉温的检测提供有力的技术支持。 目前，计算机应用控制领域采用三种配置：（1）可编程序控制器（PLC）, （2）微型计算 机， （3）单片机。，本烘炉温度追踪系统，作为检测系统的一种，采用单片机作 为前段数据采集单元，对炉温及炉内工件

5、温度进行采集和处理，监控烘炉的热加工 过程及产品的质量状态。应用微型计算机实现数据保存、分析统计。本课题研究开发的目的，就是要通过借鉴国外的先进技术，研究出具有我国自 主知识产权的烘炉温度自动检测系统。研制的烘炉温度自动温度检测系统，可用来 连续测量各点的温度变化，准确的绘制出烘炉长度区间上的时间一温度曲线，以及 测量出被加工的零件产品木身的温度状态变化，掌握不同温度下的固化时间、最大 温差、变化斜率和参考曲线等技术指标，以此来优化生产过程，提高烘炉热加工的 产品质量和生产效率，降低能耗，同时该装置也为快速查找烘炉故障提供了便利的 条件。该课题研究的意义在于目前国内尚没有生产采用隔热装置的烘炉

6、温度自动检 测系统的企业，因此通过本文的研究，希望对我国该类仪器仪表的开发能起到抛砖 引玉的作用。研制烘炉温度自动检测仪，可以把国外的先进的温度测量技术和方法 引入我国，一是可以改变我国热加工领域测温技术相对落后的状态，二是填补了我 国在该技术领域的空白。目前，国内代理销售的该项产品是英国“3ATAPAQ”（达塔 帕克）公司制造的“OvenTracker（炉温追踪仪）”，其每台零售价格卖到约4到5万 元人民币），由于其价格l 一分昂贵，一般企业以承受，因此限制了它的推广和应 用。如果该课题的研究能获得成功，那么研制出的产品会以优越的性能/价格比占 领国内市场（每台在1万元人民币以内），同！l寸

7、还可以参与国际市场竞争，为国 家外汇创收做出贡献。并且该项技术不仅局限于烘炉热加工过程的温度测量，只要 略加改进，就可以应用于其它领域的热加工过程的温度测量。因此说，该项目的研 究对改变我国目前在热加工技术领域的落后状态具有极其深远的意义。1.2 烘干炉温度自动控制系统现状和发展趋势生产管理一体化、网络化是当今工业自动化控制领域的大趋势，要实现这些功 能，必须借助于工业计算机、现场网络及开放的工业数据库。利用先进技术手段监 测各种复杂生产环境的被控参数（如温度、流量及压力等），使生产和管理一体化， 可以有效地提高生产和管理的自动化水平。温度追踪测量（也可以称作是温度分布测定技术）是一种利用微机

8、来实现数据 采集、数据通讯传输和数据分析处理的一门新技术，是在生产过程中一记录和说明 热加工产品与空气温度关系的技术，追踪测量得到的数据被显示为图表或数字。这 个过程最简单的形式就是它可以告诉生产者所生产的产品的温度、保持这个温度有 多长时间以及在什么时间达到了什么温度。通过分析数据，生产人员可以保证产品 达到最好的质量、解决产品存在问题、优化生产工艺路线及节约能耗。无论是在电 子产品的生产、食品加工、其它工业生产，还是在医疗器械生产方面，只要在生产 过程中温度是重要的控制指标，温度检测（也称追踪）技术就具有非常广阔的应用前 景。国外的温度检测技术起于 80 年代，其先进的技术可以以 1984

9、 年成立的英国达 塔帕克公司为代表。该公司是世界上最先进的温度追踪技术的代表，于 1985 年首 次生产出温度追踪的产品，是温度追踪技术的开拓者。目前它的产品已遍布世界各 地，主要生产精加工工业用烘炉温度追踪器、电子工业用回焊追踪仪、热处理工业 用高温炉温追踪仪、陶瓷工业用炉窑温度追踪器、食品加工业用的多功能温度追踪 器等，可见该项技术在工业领域的应用十分广泛。国外的温度追踪技术除了在理论 上进行先进的研究外，在实践中更是日益成熟。国际上，另一个在该领域的先进技 术的代表就是波兰，早在 1992 年就利用连续温度监测法预报煤井的瓦斯状态。国 外的温度追踪技术从普通的室温监测到高温监测技术，从遥

10、感监测到各种炉膛的内 部监测技术，正随着新技术的出现在不断的更新及完善。随着科技进步，计算机检测技术的发展，我国从 90 年代开始对温度监测进行 理论上的研究，在生产实践中也进行了一系列的应用。比如在 2001 年杭州商学院 计算机与信息工程系用 VB6. 0 开发出粮库温度监测系统的监控软件，利用微机来 实现串行通信、数据处理的温度监测系统。而我国采用的烘炉温度测量方法一般是 定点测量，既在炉内留出测量孔，把传感器通过测量孔伸到炉膛内，对温度进行测 量。这种测量方法的缺点一是测量孔多了将影响烘炉的保温性能，二是它测量的温 度，在烘炉长度区间分布上，不是连续的量和存在测量死区，另外它无法测量烘

11、炉 内产品自身的温度。由于在工业现场的外部环境很不好，抗干扰问题就成为计算机 检测技术中必须要解决的问题，而我国在此方而的技术与国外相比有很大的差距。 虽然我国在理论方面紧跟国外的步伐，但研究的方向是针对专门的行业，技术的应 用没有普遍性。而且目前我国尚无烘炉温度追踪仪方面的研究报道，更无生产该类 型温度追踪仪的产品的厂家，而国内代理销售的进口温度追踪仪，最便宜一台也要 4 至 5 万元人民币左右。进口产品的昂贵价格，使国内企业难以承受，其销路难以 推广，以致使我国烘炉热加领域的检测技术和工艺水平长期处于落后状态使热加工 的产品质量难以提高。因此，可以说烘炉温度检测系统的研究与开发的前景广阔，

12、同时也可带来巨大 的经济效益和社会效益。它不仅可以大大降低我国烘炉热加_产品的成本和提高产品的质 量，还将生产出第一台国产的温度追踪仪，它可以广泛的应用于使用烘炉以及其它 热加工的行业，满足国内市场的需求，推动我国烘炉温度测量技术的发展，使其早 日跨入世界先进行列。1.3 本文的主要内容设计一个适用的烘干炉，主要参数如下：1. 机体尺寸：3500*540*1250 (L*W*H)2. 额定功率： 30KW3. 工作电压： 220V4. 温度可调可控，4 点测温5. 温度范围：80150C6. 恒温精度：0.5%7. 具有四位数字显示功能，分别显示路数、预置值、实测值第2 章 系统总体方案设计2

13、.1 系统的组成根据系统基本要求，将本系统划分为：温度测量电路，A/D转换电路，键盘输 入部，控制处理电路，显示电路，微处理器。2.2 控制系统结构和功能特点烘干炉温度控制系统主要由温度检测、温度控制和调节、图文显示、语音报警 以及数据通信等部分组成其结构框图如图1所示系统以89C51单片机作为控制 CPU ,对炉温进行检测,依据相应的控制算法,通过分析计算, 得到合适的控制量以 控制加热元件，从而实现对温度的控制.控制系统的主要功能特点如下：1）采用高速单片机作为系统的控制核心 , 确保系统的运行速度 ; 启用看门狗 以及上电延时复位和掉电检测功能，增强了系统的可靠性，简化了电路设计.2）采

14、用更适于现场安装的平板式结构液晶显示器， 以文本和图形两种方式实现 了温度的实时显示.3）采用12位高速A/ D转换器以及新型的模拟信号隔离放大器，保证了模拟信 号的完整性，具有放大器体积小、隔离电压高、非线性失真小等突出优点.4）实现了和车间级监控计算机之间的通讯在数据通讯设计中，采用了独特的 高速光电隔离耦合技术， 以及数据正确性鉴别等软件技术 ， 通讯可以在现场电路 干扰严重、传输距离长的条件下高速、可靠进行.5）语音报警单元采用ISD4004作为控制核心，为工作人员提供告警提示.6）结构化程序设计增强了系统软件的可移植性，也易于调试和检验.图2-1 烘干炉温度控制系统结构图2.3 系统

15、总体方案设计传感器部分将模拟输入量温度转换成电量值。由于 R-V 转换后的输出电 压很微弱，所以采用运算放大电路使输出电压扩大到05V。A/D转换电路主要是 将模拟信号转化为与温度相对应的数字量，每当采样周期到达，即可将炉温值与键 盘设定值比较，然后通过比较结果去改变可控硅在固定控制周期内的导通时间，从 而达到控制炉温的目的。2.3.1 系统控制器的选择单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理 能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O 口和中断系统、 定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换 器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条 条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式 写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操 作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机， 其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编 成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系